足尺路面瀝青層疲勞性能試驗(yàn)研究

陳飛, 馬融

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院, 北京市 100088)

室內(nèi)試驗(yàn)是在常應(yīng)力或常應(yīng)變條件下建立瀝青混合料疲勞方程，而且室內(nèi)試驗(yàn)無(wú)法模擬現(xiàn)場(chǎng)的荷載分布、環(huán)境條件和路面應(yīng)力應(yīng)變變化的狀態(tài)，實(shí)際路面所承受的荷載是隨機(jī)變化的，并非常應(yīng)力或常應(yīng)變，也非等溫條件下的。由于荷載橫向分布和作用間歇時(shí)間、裂縫擴(kuò)展速率、路面溫度等參數(shù)的影響，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際疲勞壽命存在顯著差異。因此，現(xiàn)場(chǎng)足尺瀝青路面的加速加載試驗(yàn)，對(duì)研究現(xiàn)場(chǎng)瀝青疲勞性能演變規(guī)律、建立試驗(yàn)室內(nèi)疲勞壽命預(yù)估模型與實(shí)際路面疲勞損壞之間的聯(lián)系具有重要意義。

1 研究路徑

參考現(xiàn)場(chǎng)疲勞試驗(yàn)研究的已有成果，以瀝青層底拉應(yīng)變?yōu)橹笜?biāo)，考慮應(yīng)變水平、疲勞壽命次數(shù)和試驗(yàn)時(shí)間等因素，設(shè)置3種不同厚度的級(jí)配碎石基層瀝青試驗(yàn)路。通過加速加載試驗(yàn)，采集路面溫度、應(yīng)變、裂縫等數(shù)據(jù)，以裂縫密度來判定瀝青路面疲勞狀態(tài)，分析現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變和裂縫隨加載次數(shù)的變化規(guī)律。根據(jù)室內(nèi)疲勞方程，通過累計(jì)疲勞損傷方法分析現(xiàn)場(chǎng)在溫度、應(yīng)變不同條件下的疲勞損傷，預(yù)估疲勞壽命；對(duì)比足尺加載試驗(yàn)得出的瀝青層疲勞壽命，得出足尺加載試驗(yàn)路段的現(xiàn)場(chǎng)疲勞修正系數(shù)，分析瀝青層厚度對(duì)其影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)路段

2.1 材料及技術(shù)指標(biāo)

足尺試驗(yàn)路瀝青面層采用70#瀝青、AC-20混合料，集料為石灰?guī)r。級(jí)配見表1，馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表2。

級(jí)配碎石基層采用石灰?guī)r材料。根據(jù)室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)，得最佳含水量為4.3%、最大干密度為2.198 g/cm3。合成級(jí)配見表3，CBR試驗(yàn)結(jié)果為204%。

表1 AC-20瀝青混合料級(jí)配組成

2.2 路面結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)路分為3種不同的路面結(jié)構(gòu)，考慮瀝青層層底彎拉應(yīng)變(在加載條件下)，盡可能在室內(nèi)疲勞試驗(yàn)采用的應(yīng)變水平(通常為100～500 με)范圍內(nèi)，設(shè)置5、10、15 cm共3種瀝青面層厚度，基層和底基層均為級(jí)配碎石(對(duì)應(yīng)路面結(jié)構(gòu)分別為L(zhǎng)QPL1、2、3)。試驗(yàn)段加載長(zhǎng)度12 m，寬11.5 m，足尺路面結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用AC-20、級(jí)配碎石等材料。瀝青層與級(jí)配碎石層間設(shè)透層油和5 mm厚的乳化瀝青稀漿封層。

表2 最佳油石比下馬歇爾試件體積參數(shù)和力學(xué)指標(biāo)

表3 級(jí)配碎石(DGAB25)合成級(jí)配

3 加速加載試驗(yàn)

3.1 加速加載試驗(yàn)參數(shù)

ALF加速加載設(shè)備是現(xiàn)場(chǎng)單向直線加載的試驗(yàn)設(shè)備。加載采用軸載為單軸單側(cè)雙輪80 kN，氣壓為0.8 MPa。荷載橫向分布采用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布(-400～+400 mm范圍內(nèi))。

圖1 瀝青路面疲勞ALF加速加載試驗(yàn)路結(jié)構(gòu)

3.2 傳感器布置

為了得到加速加載試驗(yàn)段路面的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和性能，按照0.5 m的間距布置測(cè)量點(diǎn)和斷面，每個(gè)結(jié)構(gòu)測(cè)量7個(gè)斷面，即編號(hào)為L(zhǎng)QPL1-1～LQPL3-7，布置如圖2所示。傳感器布置如圖3所示。

在瀝青層內(nèi)每隔3 cm深度埋設(shè)1個(gè)溫度傳感器。

圖2 測(cè)量斷面布置(單位：m)

圖3 傳感器布置

每個(gè)結(jié)構(gòu)段在瀝青層底分別埋設(shè)兩個(gè)光柵應(yīng)變傳感器和1個(gè)電阻式瀝青應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)為縱向埋設(shè)，光柵應(yīng)變傳感器為一縱一橫。

3.3 試驗(yàn)過程

加速加載試驗(yàn)在鋼架大棚內(nèi)常溫下進(jìn)行，路面不受太陽(yáng)照曬和雨水的影響，保證路面深度3 cm處溫度保持在15～30 ℃范圍內(nèi)。試驗(yàn)路兩側(cè)有深達(dá)3 m縱向排水溝，基本上可以消除地下水對(duì)土基強(qiáng)度的影響。加載后期幾天，由于氣溫過高，采取鼓風(fēng)機(jī)和間斷性灑水措施對(duì)路面進(jìn)行降溫。試驗(yàn)開始前和每加載一定次數(shù)(15 000～20 000次)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，采集瀝青層層底拉應(yīng)變、路面溫度、裂縫等指標(biāo)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 裂縫發(fā)展及疲勞壽命

試驗(yàn)在加載349 000次時(shí)，路面出現(xiàn)裂縫，之后持續(xù)觀測(cè)裂縫的發(fā)展，直到試驗(yàn)結(jié)束。計(jì)算裂縫長(zhǎng)度和密度等指標(biāo)，結(jié)果見表4。加載至42萬(wàn)次時(shí)，觀測(cè)到的瀝青面層疲勞裂縫最寬達(dá)2 mm，停止加載。裂縫主要為貫穿輪跡帶的橫向裂縫和一些極細(xì)的網(wǎng)狀微裂縫。

現(xiàn)場(chǎng)路面疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)，一般是以車輪痕跡處的裂縫水平或裂縫密度為指標(biāo)?？紤]到試驗(yàn)路段的破壞程度，此次加速加載試驗(yàn)以裂縫密度達(dá)到1.0 m/m2作為判定瀝青路面疲勞破壞的標(biāo)準(zhǔn)。得到3種瀝青層厚度的疲勞壽命加載作用次數(shù)分別為365 438、396 600、420 000次。

表4 裂縫與荷載作用次數(shù)關(guān)系

4.2 應(yīng)變隨加載次數(shù)的變化

加載過程共采集120次動(dòng)應(yīng)變數(shù)據(jù)，3種結(jié)構(gòu)在不同加載次數(shù)時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變值見圖4。

應(yīng)變實(shí)測(cè)值與應(yīng)變理論計(jì)算值比較分析：采用FWD彎沉反算模量值，車輪荷載為雙圓荷載，接地壓強(qiáng)0.8 MPa，半軸軸載80 kN，力學(xué)計(jì)算得出初始狀態(tài)的理論計(jì)算值，與實(shí)測(cè)值比較見表5。

傳感器采集數(shù)值可靠性分析：LQPL1-4、LQPL1-5傳感器兩者的測(cè)量值基本上處于同一水平，而且與理論計(jì)算值也非常接近；LQPL2-3、LQPL2-4初始讀數(shù)正常，3傳感器在56 000次的讀數(shù)急劇下降；LQPL3結(jié)構(gòu)，3、4光柵應(yīng)變傳感器的測(cè)值相差不大。因此LQPL1結(jié)構(gòu)取LQPL1-4、LQPL1-5兩者的平均值，LQPL2結(jié)構(gòu)采用LQPL2-4傳感器的實(shí)測(cè)值，LQPL3結(jié)構(gòu)采用LQPL3-3、LQPL3-4傳感器讀數(shù)的平均值進(jìn)行分析。

結(jié)合裂縫觀測(cè)和傳感器測(cè)值(無(wú)異常的)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)：隨著加載次數(shù)增加，層底拉應(yīng)變逐漸增大、裂縫增多，當(dāng)應(yīng)變?cè)龃蟮郊s為初始值的兩倍時(shí)，貫穿輪跡帶的疲勞裂縫開始出現(xiàn)。

5 ALF足尺路面疲勞分析

根據(jù)室內(nèi)四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果，建立ALF試驗(yàn)路材料的室內(nèi)疲勞方程[式(1)]，通過累積損傷分析得出室內(nèi)預(yù)估壽命。ALF試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際疲勞壽命與室內(nèi)預(yù)估疲勞壽命關(guān)系見式(2)：

(a) LQPL1結(jié)構(gòu)

(b) LQPL2結(jié)構(gòu)

(c) LQPL3結(jié)構(gòu)

表5 實(shí)測(cè)與理論計(jì)算應(yīng)變比較

(1)

Nalf=C1×Nf

(2)

式中：Nalf為ALF試驗(yàn)路的加載次數(shù)；Nf為疲勞壽命；C1為試驗(yàn)室與ALF足尺試驗(yàn)路之間的修正系數(shù)；εt為瀝青層層底拉應(yīng)變值(με)；E為瀝青層模量(MPa)。

考慮現(xiàn)場(chǎng)模量與應(yīng)變測(cè)試條件非標(biāo)準(zhǔn)溫度，為了分析現(xiàn)場(chǎng)疲勞，首先建立模量與應(yīng)變的溫度聯(lián)系，再通過累積疲勞損傷分析的方法，建立室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)疲勞的聯(lián)系確定修正系數(shù)C1。

5.1 瀝青層反算模量、應(yīng)變與溫度的關(guān)系

由于在試驗(yàn)過程中瀝青層溫度不斷變化，需要對(duì)瀝青層模量(FWD反算模量)進(jìn)行不同溫度下的換算，換算采用BELLS修正模型，即：

ET=E20×100.018(20-T)

(3)

式中：ET為溫度T時(shí)的瀝青層反算模量(MPa)；E20為20 ℃時(shí)瀝青層反算模量(MPa)。

此外，在加載過程中，每隔半小時(shí)采集并保存溫度與瀝青層層底的動(dòng)應(yīng)變數(shù)據(jù)，分析得出3種結(jié)構(gòu)溫度對(duì)層底拉應(yīng)變影響的回歸方程，如表6所示。

表6 瀝青層層底應(yīng)變回歸結(jié)果

由表6可以看出：不同的瀝青路面結(jié)構(gòu)下，溫度對(duì)應(yīng)變的影響程度不同，瀝青層越薄，溫度對(duì)應(yīng)變的影響越大；溫度每升高或者降低1 ℃，應(yīng)變變化率分別為L(zhǎng)QPL1=7.46 με/℃；LQPL2=6.52 με/℃；LQPL3=5.57 με/℃。

5.2 累積疲勞損傷分析

按照試驗(yàn)過程中溫度范圍以1 ℃為區(qū)間，劃分為[15.5，16.5]、[16.5，17.5]、…、[27.5，28.5]、[28.5，29.5]溫度區(qū)間，累積損傷分析時(shí)采用區(qū)間內(nèi)的平均溫度作為計(jì)算的代表溫度，即代表溫度Ti(16、17、18、…、28、29)。根據(jù)每種結(jié)構(gòu)試驗(yàn)過程和溫度(該結(jié)構(gòu)瀝青層不同深度處溫度的平均值)測(cè)試，得出3種結(jié)構(gòu)在不同溫度區(qū)間下的作用次數(shù)，如圖5所示。

圖5 不同溫度下加載作用次數(shù)

按式(1)計(jì)算每天不同溫度區(qū)間的瀝青層疲勞損傷，式中模量參數(shù)采用FWD反算模量，根據(jù)5.1節(jié)對(duì)實(shí)際采集的瀝青層模量、層底應(yīng)變進(jìn)行溫度影響換算。計(jì)算不同溫度區(qū)間下的疲勞損傷率，即作用次數(shù)與疲勞壽命次數(shù)之比。根據(jù)3個(gè)結(jié)構(gòu)的每天疲勞損傷率情況，按照Miner法則[式(4)]，當(dāng)不同溫度區(qū)間的疲勞累積損傷達(dá)到100%，路面即出現(xiàn)破壞極限狀態(tài)，得出按照室內(nèi)預(yù)估壽命方法確定的現(xiàn)場(chǎng)疲勞預(yù)估壽命Nf：

(4)

式中：i為路面溫度區(qū)間，為1～k；Ni為i路面溫度區(qū)間下荷載實(shí)際作用次數(shù)；Ni為i路面溫度區(qū)間下荷載單獨(dú)作用使路面達(dá)到破壞的作用次數(shù)。

5.3 足尺瀝青層厚對(duì)疲勞方程修正的影響

根據(jù)5.2節(jié)分析計(jì)算得出的3種結(jié)構(gòu)預(yù)估壽命Nf和4.1節(jié)加速加載得出的3種結(jié)構(gòu)疲勞壽命Nalf，按照式(2)得到ALF試驗(yàn)路3種不同結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)修正系數(shù)，即：C1-LQPL1=4.105；C1-LQPL2=2.475；C1-LQPL3=0.101?？紤]到雖然環(huán)境條件與荷載作用相同，不同路面結(jié)構(gòu)的ALF現(xiàn)場(chǎng)修正系數(shù)是不一樣的，路面的現(xiàn)場(chǎng)修正系數(shù)受瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響較大。加速加載試驗(yàn)主要是瀝青層厚度不同，修正系數(shù)與實(shí)測(cè)瀝青層厚度相關(guān)性良好，如圖6所示。

6 結(jié)論

(1) 通過裂縫監(jiān)測(cè)，得出裂縫發(fā)展規(guī)律，疲勞破壞以裂縫密度達(dá)到1.0 m/m2為標(biāo)準(zhǔn)，得出3種結(jié)構(gòu)瀝青層(級(jí)配碎石基層)的疲勞壽命分別為365 438、396 600、420 000次。

圖6 ALF現(xiàn)場(chǎng)修正系數(shù)與瀝青層厚度關(guān)系

(2) 溫度對(duì)瀝青層底拉應(yīng)變的影響與結(jié)構(gòu)形式和厚度相關(guān)，瀝青層厚越薄，影響越大，并得出3種結(jié)構(gòu)的瀝青層層底拉應(yīng)變隨溫度變化的回歸方程。

(3) 在加速加載過程中，瀝青層層底拉應(yīng)變隨加載次數(shù)增多逐漸增大，當(dāng)應(yīng)變?cè)龃蠹s為初始值的兩倍時(shí)，路表面開始出現(xiàn)貫穿輪跡帶的疲勞裂縫。

(4) 通過室內(nèi)疲勞預(yù)估和足尺加載試驗(yàn)疲勞壽命結(jié)果分析，得出瀝青混合料疲勞方程的足尺加載路面現(xiàn)場(chǎng)疲勞修正系數(shù)，系數(shù)受瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響較大，建立了瀝青層厚對(duì)現(xiàn)場(chǎng)修正系數(shù)的影響關(guān)系(瀝青層厚小于15 cm)。